CN1106669C - 用于真空处理室的激励源 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用作产生大面积等离子体源的低电感大面积线圈(LILAC)。该LILAC包括至少两个绕组，它们在经由阻抗匹配电路连接到RF源时使电子循环流动，以在等离子体中产生一磁场。由于LILAC利用多个绕组，所以获得大面积线圈所需的绕组匝数较少，从而LILAC的电感较低。LILAC的低电感保证使LILAC本身的共振频率保持在远高于RF驱动频率的水平，从而允许阻抗匹配在较宽频率范围内调节。于是，阻抗匹配没有困难，并可把功率转移增到最大，从而允许有效地产生大面积的等离子体。

Description

用于真空处理室的激励源
技术领域
本发明涉及一种用于真空处理室的激励源，包括用于电感性耦合等离子体源的低电感大面积线圈。尤其是，本发明涉及一种用于真空处理室的激励源，包括用作产生等离子体的源的低电感大面积线圈，所产生的等离子体可用于在低压处理设备中处理半导体大圆片。
背景技术
产生的等离子体可用于各种半导体制造工艺，例如增强型蚀刻、淀积等。一般，通过在低压气体中引入电子流，使各个电子与气体分子发生碰撞而转移动能，从而使各个气体分子发生电离来产生等离子体。通常，在电场(一般为射频(RF)电场)中使电子加速。
已提出使RF电场中的电子加速的各种方法。一个方法是在处理室内的一对相对电极(它们平行于大圆片)之间激励电子。由于大部分电子的能量通过电子与处理室壁或半导体大圆片的碰撞而耗散，所以利用与大圆片正交的电场不会给离子提供有效的动能转换。
一个更有效的激励RF场中电子的技术是使用平行于大圆片和等离子体所在平面的单绕组线圈(SWC)来激励电子。第4,948,458号美国专利中揭示了如图1-3所示利用该技术的一种装置。如图1所示，等离子体产生装置包括在上壁14上开有12的外壳10。介电屏蔽板16置于上壁14以下并延伸出入口12两端。介电屏蔽板16封接到上壁14，以限定由外壳10所真空密闭的内室。平面型单绕组线圈(SWC)20置于入口12内并靠近介电屏蔽板16，其方向平行于表面22所支撑的大圆片W。工作气体通过在外壳10的一侧形成的入口24进入室18。
图2示意地示出图1所示的等离子体产生装置。如图1和2所示，RF源30经由同轴电缆32通过阻抗匹配电路35耦合到SWC20。阻抗匹配电路35包括初级线圈36和次级回路38，次级回路38可用位置来调节电路的有效耦合并可在操作频率下成为电路35的负载，从而把功率转移增加到最大。初级线圈36安装在一圆盘40上，圆盘40可绕竖轴42旋转以调节耦合。有一个与次级回路38串联的调制电容器44可把电路共振频率调节到RF驱动频率。另一个电容器34，则用以消除电路中初级线圈36的电感性电抗。使线圈20中通过一个共振RF电流，其共振频率一般调制在13.35MHz处，于是感应出穿透介电屏蔽板16的平面磁场。该磁场使电子在线圈20和大圆片W之间循环流动。电子的循环流动使电子不太可能撞击线圈20和大圆片W间的外壳壁10，且由于电子被限定在一平行于平面型线圈20的平面内，所以把非平面方向的动能转移减到最少。
如图3详细所示，SWC20包括形成平面螺旋形或一系列同心圆的单个导电元件。如图1和3所示，SWC20也包括标为(+)的中心抽头和标为(-)的外部抽头，从而它可与等离子体产生装置的电路相连。
在某些应用，诸如在生产400毫米的大圆片或大面积平板型显示器中，需要大面积的等离子体。为了产生大面积的等离子体，必须增加图1-3所示SWC20的面积或直径。如果匝的间距固定，则增加匝数来增大直径，必将增加SWC20的电感。在大直径的情况下，SWC20成为高电感，这将减小SWC20本身的共振频率。由于共振频率更接近射频(RF)驱动频率(一般为13.56MHz)，所以阻抗匹配变得越来越困难。这是因为阻抗匹配元件的配置变化时，匹配条件的灵敏度增加了，从而难于在小的频率范围内进行精确的阻抗匹配。因此，在使用SWC来产生大面积等离子体时，难于把功率转移增到最大。
发明内容
本发明提供了一种用于真空处理室的激励源，所述激励源用于产生电感性耦合的等离子体的设备，该设备包括一外壳，该外壳包围被介电屏蔽板所限定的等离子体反应室；外壳内的进气口把工作气体提供给反应室，所述激励源包括一线圈，包括置于外壳外部靠近介电屏蔽板的至少两个导电绕组；经由阻抗匹配电路耦合到绕组的射频源，该阻抗匹配电路使射频源的阻抗与绕组以及提供共振的频率调制机构的阻抗相匹配，从而射频源有效地使线圈内的射频电流发生共振并在反应室内把工作气体激发成为等离子体。
依据本发明的各种方面，线圈可具有不同的结构。例如，绕组可以平行并处于同一平面，线圈可以不是平面的，绕组的相对的末端可连接在一起，绕组的相对的末端也可以不连在一起，绕组可相互交错，绕组也可以不交错但覆盖不同的表面积以及/或由绕组中一个绕组的匝来分隔绕组中另一个绕组的匝。外壳可包括多个或单个大圆片蚀刻设备，其中大圆片卡盘支撑待处理表面平行于线圈平面的一个或多个半导体大圆片。
本发明的激励源可用于产生电感性耦合的等离子体的方法，该方法包括以下步骤，把工作气体引入由介电屏蔽板所限定的外壳所包围的等离子体反应室；使线圈中的射频电流发生共振，该线圈包括置于外壳外部靠近介电屏蔽板的至少两个导电绕组，射频电流可有效地把反应室内的工作气体激发成为等离子体。
可使用上述的各种线圈结构来实施此方法。此外，等离子体可用于处理一个或更多的衬底，诸如半导体大圆片或平板型显示器。例如，半导体大圆片可以位于反应室中，可由等离子体对大圆片上的一层进行蚀刻。在处理中，反应室的气压可在较大的范围内变化，但在较佳实施例中，气压保持在低于100毫托的水平。
附图概述
图1示出利用常规的单绕组线圈的等离子体产生装置。
图2示意地示出利用常规单绕组线圈的等离子体产生装置。
图3详细示出常规的单绕组线圈。
图4A和4B示出常规的单绕组线圈与依据本发明的双绕组线圈之间的比较。
图5示出依据本发明一个实施例的相互交错的双绕组线圈。
图6示出依据本发明另一个实施例的没有相互交错的多绕组线圈。
图7示出利用依据本发明的低电感大面积线圈的等离子体产生装置。
图8示意地示出利用依据本发明的低电感大面积线圈的等离子体产生装置。
本发明的较佳实施方式
本发明提供了一种具有多绕组的低电感大面积线圈(LILAC)，该线圈在连到RF源时可有效地产生大面积的等离子体。与只使用一个绕组的单绕组线圈相比，由于LILAC具有多绕组，所以获得大直径所需的绕组匝数较少。绕组的匝数较少则产生较小的电感，这使得LILAC本身的共振频率比普通的RF驱动频率13.56MHz高得多。由于LILAC本身的共振频率与RF驱动频率之间的频率范围较宽，保证了准确地阻抗匹配，从而保证最大的功率转移以及有效地产生等离子体。
依据本发明，低电感大面积线圈(LILAC)提供了用作产生大面积等离子体的源。LILAC包括至少两个绕组，它们在经由阻抗匹配电路连到RF源时，产生循环流动的电子以在等离子体中引起磁场。由于LILAC利用多绕组，所以获得大面积线圈所需的绕组匝数很少，从而LILAC的电感很低。LILAC的低电感保证使LILAC本身的共振频率保持在远远高于RF驱动频率的水平，从而允许阻抗匹配的较宽频率范围。于是，阻抗匹配时没有困难，可把功率转移增到最大以允许有效地产生大面积等离子体。
图4A和4B示出相同的直径的SWC与LILAC之间的比较。在图4A中，SWC20具有四匝绕组，导体之间的间距为0.5英寸。图4B中的LILAC50具有与图4A中SWC20相同的直径和导体间空隙，但LILAC50具有两匝其间距为1英寸的绕组。虽然LILAC50的直径与SWC20相同，但其匝数为SWC20匝数的一半，所以LILAC的电感更低，这使得更便于在大直径处进行阻抗匹配。LILAC电感低的另一个原因是，部分或所有的绕组可以在电气上并联，与独立的电感器相比，并联电感具有更低的净电感。
图5示出一种简单的双绕组型LILAC。参考图5，双绕组LILAC50具有平面螺旋形的几何形状，其两个绕组并联。与相同直径的SWC相比，LILAC的间距加倍，相互交错的绕组给线圈提供了与SWC基本上相同的导体间空隙。两个绕组的每个末端都连在一起。中心抽头(+)和外部抽头(-)便于连接到等离子体产生装置。
在图5中，虽然绕组的末端连接在一起，但绕组的末端不必都连在一起。一个绕组或更多绕组可比另一个绕组短并可在该末端以外的某些其它点处连到该另一个绕组。
此外，可使用两个以上相互交错的绕，并且线圈也可以是非平面的。
图6示出LILAC的另一个实施例，其中有四个绕组且这些绕组没有相互交错。在各个绕组的中心有(+)抽头，而在绕组相遇处只有一个(-)抽头以便于连接到等离子体产生装置。与几个并联的SWC相类似，四个绕组可覆盖不同的表面积。与覆盖一面积的SWC相比，使用不相互交错的多个绕组来覆盖相同面积的LILAC需要更少的匝。于是，不相互交错的LILAC结构保持低电感并保证有效地产生大面积的等离子体。
图7和8中示出利用LILAC的等离子体产生装置。与图1和2所示SWC20的装置相同，可简单地由单个RF源30和一阻抗匹配电路35来激励LILAC50。此外，虽然未示出，但具有多个绕组的组合LILAC设计可利用多个匹配网络和发生器。
上述LILAC50允许有效地产生大面积的等离子体。虽然已描述了本发明的特殊实施例，但应鼓励本领域内的通常技术人员使本发明亦可以其它方式实现，而不背离本发明的精神或其必要特征。例如，虽然已示出具有两个或四个绕组的LILAC，但绕组的数目不限于此，它也可以具有满足产生大面积等离子体需要的任意数目的绕组。此外，虽然已把LILAC描述成产生等离子体的初级线圈，但也可把它用作与另一初级线圈相结合的辅助线圈。因此，就所有的方面而言，应认为以上所揭示的本发明只是示意性的，而不是限制性的。由附加的权利要求书而不是由以上描述来指出本发明的范围，权利要求书试图包含在与其相应的意义和范围内所进行的所有变化。

Claims (16)

1.一种用于真空处理室的激励源，所述真空处理室响应于一可电离气体源并包括工件支架，所述激励源包括具有连接成响应于一射频源的多个绕组的线圈，所述射频源包括具有第一和第二输出端的阻抗匹配电路，所述线圈如此连接，从而它适合响应于来自所述射频源的电流把所述气体激发成为能处理支架上的工件的等离子体，每个绕组包括内部端子和外部端子以及在内部和外部端子之间沿径向和圆周延伸的多匝，其特征在于所述阻抗匹配电路的第一输出端连到内部端子，阻抗匹配电路的第二输出端连到外部端子，阻抗匹配电路的第一和第二输出端与多个绕组的内部和外部端子之间如此连接，从而流过阻抗匹配电路输出端的电流平行地驱动多个绕组。
2.如权利要求1所述的源，其特征在于线圈绕组在空间上如此设置，从而多个绕组的内部端子处于线圈中的不同位置。
3.如权利要求1所述的源，其特征在于每个绕组包括螺旋状结构。
4.如权利要求2所述的源，其特征在于每个绕组包括螺旋状结构。
5.如权利要求1-4中任一项所述的源，其特征在于每个绕组的内部和外部端子之间具有相同的长度。
6.如权利要求1-4中任一项所述的源，其特征在于所述多个绕组排列成对，所述成对的多个绕组具有远离内部端子的单个位置沿相反方向径向延伸的部分。
7.如权利要求5所述的源，其特征在于所述多个绕组排列成对，所述成对的多个绕组具有远离内部端子的单个位置沿相反方向径向延伸的部分。
8.如权利要求6所述的源，其特征在于所述部分包括直线。
9.如权利要求7所述的源，其特征在于所述部分包括直线。
10.如权利要求1-4和7-9中任一项所述的源，其特征在于绕组是交错的。
11.如权利要求5所述的源，其特征在于绕组是交错的。
12.如权利要求6所述的源，其特征在于绕组是交错的。
13.如权利要求1-4、7-9和11、12中任一项所述的源，其特征在于与具有用于连到可电离气体源的进口且包括工件支架的真空处理室相结合。
14.如权利要求5所述的源，其特征在于与具有用于连到可电离气体源的进口且包括工件支架的真空处理室相结合。
15.如权利要求6所述的源，其特征在于与具有用于连到可电离气体源的进口且包括工件支架的真空处理室相结合。
16.如权利要求10所述的源，其特征在于与具有用于连到可电离气体源的进口且包括工件支架的真空处理室相结合。
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